CN111352160B - 一种海底地震仪自动重定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底地震仪自动重定位装置及方法，属于海洋地震勘探技术领域。按照预定作业点位完成海底地震仪作业。首先完成海底地震仪人工激发震源数据的预处理。利用互相关算法计算水听计分量第一道与其他道之间的实测到时差。构建考虑射线弯曲的两点间理论到时计算函数，基于此获得第一道与其他道之间的理论到时差。构建基于到时差的目标函数，选取全局最优化算法求解，最优解即为该重定位结果。同时本发明公开了实现上述方法的海底地震仪自动重定位装置。通过本发明可实现海底地震仪着底位置的自动校正，是海底地震仪数据在海洋地质构造、海底勘探等方面开展正确应用的前提和基础。
Description
技术领域
本发明涉及属于海洋地震勘探技术领域，具体涉及一种海底地震仪自动重定位装置及方法。
背景技术
海洋地震学方法是海洋能源资源开发、海底地质构造研究以及海洋灾害预警的核心技术手段。海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,简称OBS)是用于接收和记录海底地震波的一种海洋地震观测与勘探设备。该设备是近年来发展起来的一种海洋地震探测高新技术产品，已广泛应用于海洋油气资源探测、地质构造研究与防灾减灾等方面，已成为海洋地球物理探测的一种关键设备，是海洋地球物理仪器与探测技术中的一个新亮点、新增长点(Hao et al.,2011；Ruan et al.,2010；Qiu et al.,2012)。
在实际应用中最为广泛的海底地震仪类型为沉浮式海底地震仪。沉浮式海底地震仪的主要特点是自主沉浮，即在海面投放与沉耦架连接的沉浮式海底地震仪，由沉耦架的重力作用将有自浮力的海底地震仪“拉”至至海底并进行地震数据采集，完成采集后，通过在海面船舶上发送声学指令给海底地震仪，海底地震仪接收到回收指令后将它与沉耦架的连接断开，海底地震仪即利用自身的浮力漂浮至海面进行回收。
经专利检索及国内外文献调研，发现现有对海底地震仪着底重定位的方法少，且不能实现自动化数据处理(陈瀚等,2019)。重定位是指对自由下落至海底的地震仪利用人工震源信息进行二次着底位置确认。基于人工震源的海底地震仪重定位方法都是通过拟合直达水波到时获得重定位，如海底地形到时与声波到时联合反演技术(Oshida,et al.,2008)、直达波到时线性多边技术(multilateration technique,Benazzouz et al.,2016)、直达波到时蒙特卡洛拟合技术(敖威等,2010；张佳政等,2012；张莉等,2013；陈瀚等,2019)。但上述方法需要拾取准确的地震计垂向分量的直达波到时。同时，以直达波绝对到时作为反演输入数据，无法消除数据本身包含的初至波到时拾取、气枪激发延迟等误差，无法实现在作业现场快速定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海底地震仪自动重定位方法，该方法通过互相关求取到时差、到时差目标函数构建、考虑射线弯曲的直达波到时正演、全局最优化自动反演等可量化操作，实现海底地震仪位置自动校正。无需人工手动拾取初至波到时，避免了该步骤引入的误差，提高了重定位精度。以直达波到时差为拟合目标函数，而非绝对到时，避免了气枪激发延迟等引起的系统时间误差。
具体的，海底地震仪自动重定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101：按照设计的作业点位进行海底地震仪投放，待海底地震仪着底后，以投放点为中心进行十字交叉的人工震源激发作业，完成作业任务后回收海底地震仪；
步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪连续记录数据序列中截取海底地震仪所在台站对应的共接收点道集，并先后完成时间漂移校正、道均衡处理与带通滤波处理，并输出保存数据；
步骤103：读取步骤102中海底地震仪水听计分量的数据，基于互相关算法求取该分量第一道与其他道之间的到时差；
步骤104：基于斯奈尔定律求取激发震源点至海底地震仪两点间直达波初至到时，基于此到时获得任意道与第一道之间的理论到时差；建立基于到时差的最小二乘目标函数；
步骤105：基于全局最优化算法求取最小二乘目标函数最优解，该最优解即为重定位结果。
进一步的，所述方法步骤102中，数据输出保存为SU或SEGY格式。
进一步的，所述方法步骤105中，基于全局最优化算法包括遗传算法、模拟退火、模式搜索。
进一步的，所述方法步骤103中，计算人工震源地震记录任意两道之间的到时差基于互相关函数方法实现，包括互相关函数求取、互相关函数最大值及其位置求取、到时差计算；其中，对于任一道地震波记录X与第一道Y的互相关函数Rxy定义为：
其中，Rxy为互相关函数值，N为输入道的总点数，i为计算序列，τ为Y的延迟时间；
获得互相关函数Rxy的最大值位置k:
k:max(Rxy(i))i∈[-N,N]
进而获得任一道X与第一道Y之间的实测初至波到时差Δts(X,Y)为：
Δts(X,Y)＝k*dt
其中，dt为输入道的采样间隔。
进一步的，所述方法步骤104中，基于斯奈尔定律考虑射线弯曲的人工震源炮点至海底地震仪的直达波到时方法如下；
将海水视为水平层状介质，按照1米厚度等间隔分层，利用已有实测海水P波速度数据完成速度模型初始化；按照几何地震学理论，将该直达波到时求取问题表述为：给定震源和接收点的位置及速度模型，基于斯奈尔定律确定这两点之间的直达波到时；
基于斯奈尔定律，对于给定的人工震源位置(xs,ys,zs)和海底地震仪位置(xr,yr,zr)，直达波到时由射线参数p唯一确定，p由下列方程求得：
其中，p＝sinαi/hv(i)为射线参数，αi、hv(i)分别为第i层的入射角和速度，n为总层数，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距：
对于方程f(p)通过牛顿迭代法或莱文贝格－马奎特方法数值分析方法求取，求解过程中初始值p0通过下式给定：
然后利用求取的射线参数p获得直达波到时(Tsr):
其中，β(i)定义为：
对于任一地震道X与第一道Y之间的理论直达波到时差，可通过下式获得：
其中，
为第一道Y的理论直达波到时，
为任一道X的直达波到时；
建立基于到时差的最小二乘目标函数F(R):
nt为人工震源总地震道数，Δth为任一道与第一道间的理论直达波到时，Δts为任一道与第一道之间的实测直达波到时，R＝(xr,yr,zr)为反演的目标海底地震仪位置；
利用基于全局最优化算法，可求解上述最小二乘目标函数，获得的R最优解即为海底地震仪着底重定位位置。
另一方面，本发明还提供了一种用于实现上述方法的海底地震仪自动重定位装置，所述装置包括：地震道集读取模块，用于读取道头信息与道集数据；实测到时差计算模块，用于计算海底地震仪记录的人工源地震道集中任一道与第一道之间的直达波到时差；到时差正演模块，用于求取人工震源点位至海底地震仪间考虑射线弯曲的直达波到时差；到时差反演模块，用于建立基于到时差的目标函数，利用全局最优化算法，通过拟合实测到时差反演计算着底位置最优解；保存输出模块，用于对反演最优点位、目标函数值等信息进行保存。
本发明的有益效果在于：本发明设计一种海底地震仪自动重定位装置及方法，与现有技术相比，对于海底地震仪着底位置精确定位难题，利用人工震源激发的方式，经后期自动化数据处理实现着底位置重定位。特别是在重定位反演过程中，引入到时差为反演目标变量，改变了传统的直达波到时反演技术，引入互相关算法量化计算任意道之间的到时差，实现无需人工干预即可获得反演的目标变量。对于深海、深渊(大于6000米)的区域，可实现高精度的海底地震仪定位。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是水平层状海水的速度模型及射线路径示意图。
图3是本发明装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
如图1所示，本发明提出的一种海底地震仪着底位置自动重定位方法，包括如下步骤：
步骤101：按照设计的作业点位进行海底地震仪投放，待海底地震仪着底后，以投放点为中心进行十字交叉的人工震源激发作业，完成作业任务后回收海底地震仪。
步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪连续记录数据序列中截取该台站对应的共接收点道集，并先后完成时间漂移校正、道均衡处理与带通滤波处理，并输出保存为SU或SEGY格式。
步骤103：读取海底地震仪水听计分量的SU或SEGY格式数据，基于互相关算法求取该分量第一道与其他道之间的到时差。
步骤104：基于斯奈尔定律(Snell’s law)求取激发震源点至海底地震仪两点间直达波初至到时，基于此到时即可获得任意道与第一道之间的理论到时差；建立基于到时差的最小二乘目标函数。
步骤105：基于全局最优化算法(遗传算法、模拟退火、模式搜索等)求取目标函数最优解，该最优解即为重定位结果。
上述步骤103中，计算人工震源地震记录任意两道之间的到时差基于互相关函数方法实现，包括互相关函数求取、互相关函数最大值及其位置求取、到时差计算。其中，对于任一道地震波记录X与第一道Y的互相关函数Rxy定义为：
其中，Rxy为互相关函数值，N为输入道的总点数，i为计算序列，τ为Y的延迟时间。
获得互相关函数Rxy的最大值位置k:
k:max(Rxy(i))i∈[-N,N]
进而获得任一道X与第一道Y之间的实测初至波到时差Δts(X,Y)为：
Δts(X,Y)＝k*dt
其中，dt为输入道的采样间隔。
上述步骤104中，基于Snell定律考虑射线弯曲的人工震源炮点至海底地震仪的直达波到时方法如下。将海水视为水平层状介质，按照1米厚度等间隔分层，利用已有实测海水P波速度数据完成速度模型初始化。按照几何地震学理论，可将该直达波到时求取问题表述为：给定震源和接收点的位置及速度模型，如图2所示，其中，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距，αi为第i层的入射角，hv(i)为第i层的速度，n为总层数。
基于Snell定律确定这两点之间的直达波到时。
基于Snell定律，对于给定的人工震源位置(xs,ys,zs)和海底地震仪位置(xr,yr,zr)，直达波到时由射线参数p唯一确定，p由下列方程求得：
其中，p＝sinαi/hv(i)为射线参数，αi、hv(i)分别为第i层的入射角和速度，n为总层数，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距：
对于方程f(p)可通过牛顿迭代法、莱文贝格－马奎特方法(levenberg-marquardt)等数值分析方法求取，求解过程中初始值p0通过下式给定：
然后利用求取的射线参数p获得直达波到时(Tsr):
其中，β(i)定义为：
对于任一地震道X与第一道Y之间的理论直达波到时差，可通过下式获得：
其中，
为第一道Y的理论直达波到时，
为任一道X的直达波到时。
上述步骤104中，建立基于到时差的最小二乘目标函数F(R):
nt为人工震源总地震道数，Δth为任一道与第一道间的理论直达波到时，Δts为任一道与第一道之间的实测直达波到时，R＝(xr,yr,zr)为反演的目标海底地震仪位置。
利用任一最优化算法，可求解上述目标函数，获得的R最优解即为海底地震仪着底重定位位置。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种海底地震仪自动重定位装置。
图3是本发明的一种海底地震仪自动重定位装置的一种结构框图，包括，地震道集读取模块201，实测到时差计算模块202，到时差正演模块203，到时差反演模块204，保存输出模块205，对该结构说明如下。
地震道集读取模块201，用于读取道头信息与道集数据。
实测到时差计算模块202，用于计算海底地震仪记录的人工源地震道集中任一道与第一道之间的直达波到时差。
到时差正演模块203，用于求取人工震源点位至海底地震仪间考虑射线弯曲的直达波到时差。
到时差反演模块204，建立基于到时差的目标函数，利用全局最优化算法，通过拟合实测到时差反演计算着底位置最优解。
保存输出模块205，对反演最优点位、目标函数值等信息进行保存。
其中，实测到时差计算模块202中计算人工震源地震记录任意两道之间的到时差基于互相关函数方法实现，包括互相关函数求取、互相关函数最大值及其位置求取、到时差计算。其中，对于任一道地震波记录X与第一道Y的互相关函数Rxy定义为：
其中，Rxy为互相关函数值，N为输入道的总点数，i为计算序列，τ为Y的延迟时间。
获得互相关函数Rxy的最大值位置k:
k:max(Rxy(i))i∈[-N,N]
进而获得任一道X与第一道Y之间的实测初至波到时差Δts(X,Y)为：
Δts(X,Y)＝k*dt
其中，dt为输入道的采样间隔。
其中，到时差正演模块203，基于Snell定律考虑射线弯曲的人工震源炮点至海底地震仪的直达波到时方法如下。将海水视为水平层状介质，按照1米厚度等间隔分层，利用已有实测海水P波速度数据完成速度模型初始化。按照几何地震学理论，可将该直达波到时求取问题表述为：给定震源和接收点的位置及速度模型(图3)，基于Snell定律确定这两点之间的直达波到时。
基于Snell定律，对于给定的人工震源位置(xs,ys,zs)和海底地震仪位置(xr,yr,zr)，直达波到时由射线参数p唯一确定，p由下列方程求得：
其中，p＝sinαi/hv(i)为射线参数，αi、hv(i)分别为第i层的入射角和速度，n为总层数，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距：
对于方程f(p)可通过牛顿迭代法、莱文贝格－马奎特方法(levenberg-marquardt)等数值分析方法求取，求解过程中初始值p0通过下式给定：
然后利用求取的射线参数p获得直达波到时(Tsr):
其中，β(i)定义为：
对于任一地震道X与第一道Y之间的理论直达波到时差，可通过下式获得：
其中，
为第一道Y的理论直达波到时，
为任一道X的直达波到时。
到时差反演模块204中建立基于到时差的最小二乘目标函数F(R):
nt为人工震源总地震道数，Δth为任一道与第一道间的理论直达波到时，Δts为任一道与第一道之间的实测直达波到时，R＝(xr,yr,zr)为反演的目标海底地震仪位置。利用任一最优化算法，可求解上述目标函数，获得的R最优解即为海底地震仪着底重定位位置。
本发明实现了如下技术效果：一种海底地震仪自动重定位方法与装置，利用人工震源激发与海底地震仪坐底接收的方式，结合互相关到时差计算、射线追踪到时求取、最小二乘到时差目标函数建立、到时差全局最优化反演获得最终着底位置，着底位置校正后即实现了海底地震仪数据的后续准确处理与应用。此方法技术是海底地震仪在深海油气资源勘探开发、天然地震观测中的必经环节，通过量化技术实现着底位置自动计算，在深海油气等能源与资源勘查中有重要应用价值。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种海底地震仪自动重定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤101：按照设计的作业点位进行海底地震仪投放，待海底地震仪着底后，以投放点为中心进行十字交叉的人工震源激发作业，完成作业任务后回收海底地震仪；
步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪连续记录数据序列中截取海底地震仪所在台站对应的共接收点道集，并先后完成时间漂移校正、道均衡处理与带通滤波处理，并输出保存数据；
步骤103：读取步骤102中海底地震仪水听计分量的数据，基于互相关算法求取该分量第一道与其他道之间的到时差；
步骤104：基于斯奈尔定律求取激发震源点至海底地震仪两点间直达波初至到时，基于此到时获得任意道与第一道之间的理论到时差；建立基于到时差的最小二乘目标函数；
步骤105：基于全局最优化算法求取最小二乘目标函数最优解，该最优解即为重定位结果。
2.如权利要求1所述的海底地震仪自动重定位方法，其特征在于，所述方法步骤102中，数据输出保存为SU或SEGY格式。
3.如权利要求1所述的海底地震仪自动重定位方法，其特征在于，所述方法步骤105中，基于全局最优化算法包括遗传算法、模拟退火、模式搜索。
4.如权利要求1所述的海底地震仪自动重定位方法，其特征在于，所述方法步骤104中，基于斯奈尔定律考虑射线弯曲的人工震源炮点至海底地震仪的直达波到时方法如下；
将海水视为水平层状介质，按照1米厚度等间隔分层，利用已有实测海水P波速度数据完成速度模型初始化；按照几何地震学理论，将该直达波到时求取问题表述为：给定震源和接收点的位置及速度模型，基于斯奈尔定律确定这两点之间的直达波到时；
基于斯奈尔定律，对于给定的人工震源位置(xs，ys，zs)和海底地震仪位置(xr，yr，zr)，直达波到时由射线参数p唯一确定，p由下列方程求得：
其中，p＝sinαi/hv(i)为射线参数，αi、hv(i)分别为第i层的入射角和速度，n为总层数，Δ为人工震源与海底地震仪之间的偏移距：
对于方程f(p)通过牛顿迭代法或莱文贝格-马奎特方法数值分析方法求取，求解过程中初始值p0通过下式给定：
然后利用求取的射线参数p获得直达波到时(Tsr)：
其中，β(i)定义为：
对于任一地震道X与第一道Y之间的理论直达波到时差，可通过下式获得：
其中，
为第一道Y的理论直达波到时，
为任一道X的直达波到时；
建立基于到时差的最小二乘目标函数F(R)：
nt为人工震源总地震道数，Δth为任一道与第一道间的理论直达波到时，Δts为任一道与第一道之间的实测直达波到时，R＝(xr，yr，zr)为反演的目标海底地震仪位置；
利用基于全局最优化算法，可求解上述最小二乘目标函数，获得的R最优解即为海底地震仪着底重定位位置。
5.一种用于实现权利要求1至4任一项所述的海底地震仪自动重定位方法的海底地震仪自动重定位装置，其特征在于，所述装置包括：地震道集读取模块，用于读取道头信息与道集数据；实测到时差计算模块，用于计算海底地震仪记录的人工源地震道集中任一道与第一道之间的直达波到时差；到时差正演模块，用于求取人工震源点位至海底地震仪间考虑射线弯曲的直达波到时差；到时差反演模块，用于建立基于到时差的目标函数，利用全局最优化算法，通过拟合实测到时差反演计算着底位置最优解；保存输出模块，用于对反演最优点位、目标函数值信息进行保存。
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